动静压气体轴承动态特性数值分析与稳定性预测研究

摘要

随着科学技术的发展，高转速机械已成为高效率生产的重要工具，在许多应用领域，气体轴承可以提高机械的工作效率和工作精度。气体轴承支撑的转子转速高、无噪声、摩擦小，其显现出很多传统轴承不具备的优点，在微细工程、医疗器械、空间技术、精密仪器等领域中得到极大的应用。但是气体轴承存在其不足之处，如承载力低，高速运转时轴承-转子系统容易发生失稳现象，这种失稳现象是由于气膜不再具有阻尼作用而导致的，这些缺点阻碍了气体轴承的广泛运用。
　　本文以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象，研究气体轴承气膜压力分布、承载力、轴向和径向的气膜刚度及阻尼系数的数值计算方法，分析气膜动态特性系数的变化规律，研究动静压气体轴承稳定性的预测与控制方法。
　　(1)球面螺旋槽动静压气体轴承的稳态承载特性分析。阐述了动静压气体轴承的润滑机理，结合雷诺方程假设，建立了非线性无量纲球面动静压气体轴承稳态雷诺方程，采用有限差分法计算气膜的压力分布、气膜厚度分布。采用simpson复化积分法求解轴承的稳态承载力。研究了偏心率、转速、供气压力、供气孔的排数、供气孔的分布位置及螺旋槽的结构参数对稳态承载性能的影响规律。
　　(2)球面螺旋槽动静压气体轴承的动态特性分析。建立了球面动静压气体轴承的动态雷诺方程，采用导数积分法和有限差分法相结合的方法，数值计算气膜的刚度和阻尼系数，研究了运行参数、供气压力对动态特性系数的影响规律。
　　(3)球面螺旋槽动静压气体轴承转子系统的稳定性分析。阐述了气膜失稳机理，建立了含有气膜刚度和阻尼系数的轴承转子系统的动力学模型，根据Routh-Hurwitz准则预测气膜的稳定性状态，建立求解轴颈临界转速的数学计算模型，研究了偏心率、供气压力对临界转速的影响规律。
　　(4)球面螺旋槽动静压气体轴承动态特性的实验研究。制定了实验方案和实验步骤，通过对比实验数据与理论计算结果，验证了数值计算方法的正确性，为球面螺旋槽动静压气体轴承性能分析和设计提供理论基础。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的来源、意义和目的

1.2 动静压气体轴承的工作原理

1.3 国内外发展现状

1.4 本文研究的主要内容

第2章 球面螺旋槽动静压气体轴承润滑分析模型的求解

2.1 球面螺旋槽动静压气体轴承的润滑机理

2.2 雷诺方程的建立

2.3 保角变换与斜坐标变换

2.4 斜坐标系下雷诺方程的差分表达式

2.5 气膜厚度方程

2.6 本章小结

第3章 球面螺旋槽动静压气体轴承承载特性分析

3.1 雷诺方程的差分解

3.2 轴承稳态承载力的计算

3.3 轴承稳态承载力计算程序的流程

3.4 计算结果及其分析

3.5 本章小结

第4章 球面螺旋槽动静压气体轴承动态特性分析

4.1 气膜刚度和阻尼系数的计算

4.2 扰动压力的计算

4.3 刚度和阻尼系数和转速、偏心率、供气压力的关系

4.4 本章小结

第5章 球面螺旋槽动静压气体轴承稳定性分析

5.1 气膜失稳理论的分析

5.2 球面螺旋槽动静压气体轴承稳定性的预测

5.3 轴承转子系统临界转速求解

5.4 偏心率及供气压力对临界转速的影响规律

5.5 本章小结

第6章 球面螺旋槽动静压气体轴承的实验分析

6.1 实验台结构和实验装置介绍

6.2 实验方法和步骤

6.3 实验数据和理论计算结果的对比与分析

6.4 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果